GaN 단결정

반도체 기술은 현대 문명의 중추 역할을 해 왔으며, 우리가 살고 일하고 세계와 상호 작용하는 방식을 근본적으로 변화시켰습니다. 이는 정보기술, 에너지, 통신, 헬스케어 등 다양한 분야에서 유례없는 발전을 가능하게 했습니다. 스마트폰과 컴퓨터에 전원을 공급하는 마이크로프로세서부터 의료 기기의 센서, 재생 에너지 시스템의 전력 전자 장치에 이르기까지 반도체는 지난 세기의 거의 모든 기술 혁신의 핵심입니다.

1세대 반도체: 게르마늄과 실리콘

반도체 기술의 역사는 1세대 반도체, 주로 게르마늄(Ge)과 실리콘(Si)에서 시작되었습니다. 이러한 물질은 원소 반도체입니다. 즉, 단일 원소로 구성됩니다. 특히 실리콘은 그 풍부함과 가격 대비 효율성, 우수한 전자적 특성으로 인해 가장 널리 사용되는 반도체 소재이다. 실리콘 기반 기술은 수십 년에 걸쳐 발전하여 현대 전자 제품의 기초를 형성하는 집적 회로(IC) 개발로 이어졌습니다. 안정적이고 고품질의 산화물 층(이산화규소)을 형성하는 실리콘의 능력은 대부분의 디지털 전자 장치의 구성 요소인 금속 산화물 반도체(MOS) 장치의 성공에 중요한 요소였습니다.

2세대 반도체: 갈륨 비소 및 인듐 인화물

기술이 발전함에 따라 특히 고속 및 고주파 응용 분야에서 실리콘의 한계가 명백해졌습니다. 이로 인해 갈륨비소(GaAs), 인듐인(InP)과 같은 화합물 반도체를 포함하는 2세대 반도체가 개발되었습니다. 이러한 재료는 우수한 전자 이동도 및 직접 밴드갭으로 알려져 있어 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드 및 고주파 트랜지스터와 같은 광전자 장치에 이상적입니다. 예를 들어 GaAs는 마이크로파 및 밀리미터파 통신 시스템은 물론 위성 및 레이더 기술에도 널리 사용됩니다. 장점에도 불구하고 GaAs 및 InP의 광범위한 채택은 높은 비용과 제조상의 어려움으로 인해 제한되었습니다.

3세대 반도체:실리콘 카바이드그리고질화갈륨

최근에는 3세대 반도체로 초점이 옮겨가고 있는데, 여기에는 다음과 같은 재료가 포함됩니다.탄화규소(SiC)그리고질화갈륨(GaN). 이러한 재료는 넓은 밴드갭을 갖고 있어 이전 재료보다 더 높은 전압, 온도 및 주파수에서 작동할 수 있습니다.GaN특히, 3.4eV의 넓은 밴드갭, 높은 전자 이동도, 높은 항복전압, 우수한 열전도도 등 탁월한 특성으로 주목을 받고 있습니다. 이러한 특성은GaN고속 충전기, 전력 트랜지스터 및 무선 주파수(RF) 마이크로파 장치와 같은 고전력 및 고주파 애플리케이션에 이상적인 후보입니다.

결정구조와 결합GaN

GaN주기율표의 III족(예: 갈륨)과 V족(예: 질소)의 원소로 구성된 III-V족 화합물 반도체에 속합니다. 결정 구조GaN육각형 울트자이트(wurtzite)와 입방형 섬아연석(cubic sphalerite)이라는 두 가지 주요 형태로 존재할 수 있습니다. 형성되는 결정 구조의 유형은 원자 사이의 화학 결합의 특성에 영향을 받습니다. 반도체 화합물에서 결합은 공유 결합과 이온 결합의 혼합일 수 있습니다. 이온 결합이 많을수록 재료가 우르츠광 구조를 형성할 가능성이 높아집니다. 의 경우GaN갈륨(Ga)과 질소(N) 사이의 큰 전기음성도 차이로 인해 결합에 상당한 이온 특성이 나타납니다. 결과적으로,GaN일반적으로 높은 열 안정성과 화학적 부식에 대한 저항성으로 알려진 우르츠광(wurtzite) 구조로 결정화됩니다.

장점GaN이전 반도체 재료에 비해

1세대, 2세대 반도체 소재에 비해GaN이는 최첨단 애플리케이션에 특히 매력적인 여러 가지 장점을 제공합니다. 가장 중요한 이점 중 하나는 밴드갭이 넓어 GaN 기반 장치가 파손되지 않고 더 높은 전압과 온도에서 작동할 수 있다는 것입니다. 이로 인해 GaN은 효율성과 열 관리가 중요한 관심사인 전력 전자 장치에 탁월한 소재가 됩니다. 또한 GaN은 유전 상수가 낮아 정전 용량을 줄이고 트랜지스터의 스위칭 속도를 더 빠르게 만드는 데 도움이 됩니다.

GaN또한 더 높은 임계 전기장 강도를 자랑하므로 장치가 고장 없이 더 큰 전기장을 처리할 수 있습니다. 이는 고전압 및 전류를 관리하는 능력이 필수적인 고전력 애플리케이션에서 특히 중요합니다. 또한 GaN의 높은 전자 이동도는 RF 및 마이크로파 장치와 같은 고주파수 애플리케이션에 대한 적합성에 기여합니다. 높은 열 전도성, 높은 온도 저항 및 방사선 경도와 같은 이러한 특성의 조합으로 인해 GaN은 차세대 전자 장치에서 중요한 역할을 할 수 있는 다재다능한 재료가 됩니다.

GaN최신 애플리케이션 및 미래 전망

독특한 속성GaN이미 여러 산업에 혁명을 일으키기 시작했습니다. 소비자 가전 분야에서는 기존 실리콘 기반 충전기에 비해 효율성과 컴팩트한 크기로 인해 GaN 기반 고속 충전기가 점점 인기를 얻고 있습니다. 통신 분야에서 GaN은 5G 네트워크 이상에 필수적인 고주파 트랜지스터를 개발하는 데 사용되고 있습니다. 항공우주 및 방위 분야에서는 극한 조건에서 작동하는 능력이 매우 중요한 고출력 레이더 및 통신 시스템에 GaN을 사용할 수 있는 잠재력을 탐구하고 있습니다.